一種渦輪葉輪分體式結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種渦輪葉輪分體式結構與加工方法，其特征在于：渦輪葉輪由輪盤1和輪轂2組成，所述輪盤1心部有錐形盲孔，所述輪轂2有與輪盤1錐形盲孔進行配合的錐形結構，所述輪盤1在合金鑄造成型的基礎上加工而成，輪轂2采用合金棒材加工而成。所述輪轂2錐形結構的高度L2大于輪盤1錐形盲孔深度L1，所述輪盤1和輪轂2采用摩擦焊接方式連接。能夠顯著地提升增壓器渦輪葉輪的心部強度性能，解決鈦鋁合金等材料在應用于增壓器渦輪葉輪時存在的心部強度不足等問題，提高增壓器渦輪葉輪的可靠性，滿足增壓器對渦輪葉輪的使用要求。
【專利說明】一種渦輪葉輪分體式結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于渦輪增壓【技術領域】，具體涉及一種渦輪葉輪分體式結構與加工方法。

【背景技術】
[0002]渦輪增壓器是發(fā)動機提升功率密度、改善高原環(huán)境適應性的關鍵零部件之一，渦輪葉輪作為渦輪增壓器的核心零部件，承擔著將發(fā)動機氣缸排出的廢氣能量轉化為增壓器壓氣機葉輪工作所需機械功的功能。目前，增壓器渦輪葉輪主要采用的是鑄造鎳基高溫合金K418材料，但是由于K418合金材料的密度比較大，由其鑄造成型的增壓器渦輪葉輪的轉動慣量也比較大，導致廢氣渦輪增壓發(fā)動機的瞬態(tài)響應性較差；此外，K418合金渦輪葉輪的重量也比較大，不利于發(fā)動機的輕量化設計。
[0003]為提高渦輪增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應性，減輕渦輪增壓器的重量，增壓器渦輪葉輪可以采用比強度較高的鈦鋁合金材料代替K418合金材料。由于鈦鋁合金材料的密度為
3.87X 103kg/m3，約為K418合金密度的43%，并且鈦鋁合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能，采用鈦鋁合金制造的增壓器渦輪葉輪，不僅可以有效降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，改善發(fā)動機的瞬態(tài)響應性，而且可以降低渦輪葉輪的重量，有助于實現(xiàn)渦輪增壓器和發(fā)動機的輕量化。但是，由于鈦鋁合金屬于金屬間化合物，受材料自身特點的影響以及增壓器渦輪葉輪鑄造成型工藝的制約，由鈦鋁合金鑄造成型的增壓器渦輪葉輪普遍存在心部力學性能差的問題，渦輪葉輪的心部拉伸強度僅為母合金拉伸強度的58%，導致鑄造鈦鋁合金渦輪葉輪的超速裕度不足，難以滿足渦輪葉輪的可靠性要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決鑄造鈦鋁合金渦輪葉輪心部強度較低、渦輪葉輪可靠性差的技術問題，提出一種渦輪葉輪分體式結構與加工方法。
[0005]渦輪葉輪由輪盤與輪轂組成，輪盤上有錐形盲孔，輪轂上有與輪盤錐形盲孔進行焊接的錐形結構，渦輪葉輪通過輪盤與輪轂的摩擦焊接而成。通過分析渦輪葉輪的應力空間分布特征，合理設計輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，輪盤在合金鑄造成型的基礎上加工而成，輪轂采用合金棒材機械加工而成。根據(jù)渦輪葉輪的材料性能參數(shù)以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)，采用摩擦焊接的方式將輪盤與輪轂焊接在一起形成完整的渦輪葉輪。
[0006]本發(fā)明的技術方案:
[0007]一種渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:渦輪葉輪由輪盤I和輪轂2組成，所述輪盤I心部有錐形盲孔，所述輪轂2有與輪盤I錐形盲孔進行配合的錐形結構，所述輪轂2錐形結構的高度L2大于輪盤I錐形盲孔深度L1，所述輪盤I和輪轂2采用摩擦焊接方式連接形成完整的渦輪葉輪。
[0008]一種增壓器渦輪葉輪分體式加工方法，包括以下步驟:
[0009]a、確定渦輪葉輪的應力空間分布特征:采用有限元仿真計算方法確定渦輪葉輪的應力空間分布特征；
[0010]b、確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的結構參數(shù)與應力空間分布特征，確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位于輪轂錐形結構中，輪盤的錐形盲孔錐度角Q1Sso-1ecr，深度L1為葉輪厚度的20% -60%，底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部B與錐面A有過渡圓角R1 ;輪轂錐面C的錐度角θ2與輪盤錐形盲孔錐度Q1相同，高度L2比錐形盲孔深度L1大2-12111111，錐面小端直徑Φ?2與輪盤錐形盲孔底部直徑OD1相同，錐面C與底面D之間有過渡圓角R2, R2大小與R1相同，錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R3 ；
[0011]C、輪盤的加工:按照步驟b中確定的輪盤尺寸參數(shù)進行輪盤的鑄造與機械加工，輪盤在合金鑄造成型的基礎上經(jīng)過機械加工而成；
[0012]d、輪轂的加工:采用合金棒材，按照步驟b中確定的輪轂尺寸參數(shù)，將合金棒材加工成輪轂；
[0013]e、確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的材料性能以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)，包括輪盤與輪轂之間的相對旋轉角速度、軸向力與進給量；
[0014]f、輪盤與輪轂的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上通過夾具將輪盤與輪轂分別固定在兩端，按照步驟e確定的工藝參數(shù)，將輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的渦輪葉輪。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:通過分析增壓器渦輪葉輪的應力空間分布特征，合理設計輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，輪盤在合金鑄造成型的基礎上經(jīng)過機械加工而成，輪轂用合金棒材機械加工而成，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)，采用摩擦焊接方式將輪盤與輪轂焊接在一起形成完成的渦輪葉輪，在此基礎上按照渦輪葉輪的整體結構尺寸參數(shù)進行機械加工。該方法與結構能夠顯著地提升增壓器渦輪葉輪的心部強度性能，解決鈦鋁合金等材料在直接鑄造成型增壓器渦輪葉輪時存在的心部強度不足等問題，提高增壓器渦輪葉輪的可靠性，滿足增壓器對渦輪葉輪的使用要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是輪盤結構示意圖。
[0017]圖2是輪轂結構示意圖。
[0018]I輪轂2輪盤
[0019]圖3是渦輪葉輪結構示意圖。

【具體實施方式】
[0020]一種渦輪葉輪分體式結構，渦輪葉輪由輪盤I和輪轂2組成，所述輪盤I心部有錐形盲孔，錐度角Q1Sso-1ecr，錐形盲孔深度L1為葉輪厚度的20%-60%，錐形盲孔底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部與錐面有過渡圓角R1 ;所述輪轂2有與輪盤I錐形盲孔進行配合的錐形結構，輪轂2錐面C的錐度角Θ 2與輪盤I錐形盲孔錐度角Q1相同，輪轂2錐面C的高度L2比輪盤I錐形盲孔深度L1大2-12_，輪轂2錐面小端直徑OD2與輪盤I錐形盲孔底部直徑OD1相同，輪轂2的錐面C與底面D之間有過渡圓角R2, R2大小與R1相同，輪轂2的錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R3。所述輪盤I中不包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置，輪轂2中包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置。所述輪盤I是在合金鑄造成型的基礎上加工而成；所述輪轂2由合金棒材加工而成；所述的輪盤I和輪轂2采用摩擦焊接方式形成完整的渦輪葉輪。
[0021]輪轂2錐面的高度L2比輪盤I錐形盲孔深度L1大2_12mm，有利于摩擦焊焊接牢固，提高焊接質量。
[0022]輪盤I錐形盲孔的錐度角Q1Sso-1ecr，錐形盲孔深度L1為葉輪厚度的20% -60%，錐形盲孔底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部與錐面有過渡圓角R1 ;輪轂2錐面C的錐度角Θ 2與輪盤I錐形盲孔錐度角Θ i相同，輪轂2錐面C小端直徑Φ?2與輪盤I錐形盲孔底部直徑OD1相同，輪轂2的錐面C與底面D之間有過渡圓角R2, R2大小與R1相同，輪轂2的錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R3。有利于提高渦輪葉輪的可靠性。
[0023]輪盤I在合金鑄造成型的基礎上加工而成；所述輪轂2由合金棒材加工而成，有利于提高渦輪葉輪心部強度與可靠性，提高渦輪葉輪成品率。
[0024]輪盤I中不包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置，輪轂2中包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置，可以進一步提升渦輪葉輪的可靠性。
[0025]一種渦輪葉輪分體式加工方法，包括以下步驟:
[0026]a、確定渦輪葉輪的應力空間分布特征:采用有限元仿真計算方法確定渦輪葉輪的應力空間分布特征；
[0027]b、確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的結構參數(shù)與應力空間分布特征，確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位于輪轂錐形結構中，輪盤的錐形盲孔錐度角Q1Sso-1ecr，深度L1為葉輪厚度的20% -60%，底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部B與錐面A有過渡圓角R1 ;輪轂錐面C的錐度角θ2與輪盤錐形盲孔錐度Q1相同，高度L2比錐形盲孔深度1^大2-12111111，錐面小端直徑OD2與輪盤錐形盲孔底部直徑OD1相同，錐面C與底面D之間有過渡圓角R2,R2大小與R1相同，錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R3，如圖1和圖2所示，例如，對于直徑為Φ95πιπι、厚度為39.5mm的鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪葉輪，輪盤的錐形盲孔錐度角Θ:為85°，深度L1為20mm，底部直徑OD1為10mm，錐形盲孔底部與錐面過渡圓角R1為2mm ;輪轂錐面C的錐度角Θ 2為85°，高度L2為22mm，錐面小端直徑Φ?2為10mm，錐面C與底面D之間的過渡圓角R2為2mm,錐面大端與轉軸之間的過渡圓角R3為3mm ；
[0028]C、輪盤的加工:按照步驟b中確定的輪盤尺寸參數(shù)進行輪盤的鑄造與機械加工，輪盤在合金鑄造成型的基礎上經(jīng)過機械加工而成；
[0029]d、輪轂的加工:采用合金棒材，按照步驟b中確定的輪轂尺寸參數(shù)，將合金棒材加工成輪轂；
[0030]e、確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的材料性能以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)，包括輪盤與輪轂之間的相對旋轉角速度、軸向力與進給量；
[0031]f、輪盤與輪轂的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上通過夾具將輪盤與輪轂分別固定在兩端，按照步驟e確定的工藝參數(shù)，將輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的渦輪葉輪，如圖3所示。
[0032]對于直徑為Φ95πιπι、厚度為39.5mm的鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪葉輪，優(yōu)選的輪盤與輪轂尺寸參數(shù)為:輪盤錐形盲孔錐度角Θ i為85°，深度L1為20mm，底部直徑OD1為10mm，錐形盲孔底部與錐面過渡圓角R1為2mm;輪轂錐面C的錐度角Θ 2為85°，高度L2為22mm，錐面小端直徑Φ?2為10mm，錐面C與底面D的過渡圓角R2為2mm，錐面大端與轉軸的過渡圓角R 3為3mm。
【權利要求】
1.一種渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:渦輪葉輪由輪盤(I)和輪轂(2)組成，所述輪盤(I)心部有錐形盲孔，所述輪轂(2)有與輪盤(I)錐形盲孔進行配合的錐形結構，所述輪轂(2)錐形結構的高度L2大于輪盤(I)錐形盲孔深度L1，所述輪盤(I)和輪轂(2)采用摩擦焊接方式連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:所述輪轂(2)錐形結構的高度L2比輪盤⑴錐形盲孔深度L1大2-12mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:所述輪盤(I)錐形盲孔的錐度角Q1Sso-1ecr，錐形盲孔深度L1為葉輪厚度的20%-60%，錐形盲孔底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部與錐面有過渡圓角R1 ;輪轂⑵錐面C的錐度角Θ 2與輪盤(I)錐形盲孔錐度角Θ i相同，輪轂(2)錐面C小端直徑ΦD2與輪盤(I)錐形盲孔底部直徑OD1相同，輪轂⑵的錐面C與底面D之間有過渡圓角R2, R2大小與R1相同，輪轂⑵的錐面大端與轉軸之間有過渡圓角
4.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:所述輪盤(I)在合金鑄造成型的基礎上加工而成；所述輪轂(2)由合金棒材加工而成。
5.根據(jù)權利要求1所述的渦輪葉輪分體式結構，其特征在于:所述輪盤(I)中不包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置，輪轂(2)中包含渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位置。
6.一種渦輪葉輪分體式加工方法，其特征在于:包括以下步驟: a、確定渦輪葉輪的應 力空間分布特征:采用有限元仿真計算方法確定渦輪葉輪的應力空間分布特征； b、確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的結構參數(shù)與應力空間分布特征，確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位于輪轂錐形結構中，輪盤的錐形盲孔錐度角Q1Sso-1ecr，深度L1為葉輪厚度的20% -60%，底部直徑OD1為5-25mm，錐形盲孔底部B與錐面A有過渡圓角R1 ;輪轂錐面C的錐度角θ2與輪盤錐形盲孔錐度Q1相同，高度L2比錐形盲孔深度L1大2-12111111，錐面小端直徑Φ?2與輪盤錐形盲孔底部直徑OD1相同，錐面C與底面D之間有過渡圓角R2, R2大小與R1相同，錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R3 ； C、輪盤的加工:按照步驟b中確定的輪盤尺寸參數(shù)進行輪盤的鑄造與機械加工，輪盤在合金鑄造成型的基礎上經(jīng)過機械加工而成； d、輪轂的加工:采用合金棒材，按照步驟b中確定的輪轂尺寸參數(shù)，將合金棒材加工成輪轂； e、確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)渦輪葉輪的材料性能以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數(shù)，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)，包括輪盤與輪轂之間的相對旋轉角速度、軸向力與進給量； f、輪盤與輪轂的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上通過夾具將輪盤與輪轂分別固定在兩端，按照步驟e確定的工藝參數(shù)，將輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的渦輪葉輪。
【文檔編號】B23P15/00GK104074551SQ201410300359
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權日:2014年6月19日
【發(fā)明者】王正, 王增全, 王阿娜, 王晉偉 申請人:中國北方發(fā)動機研究所(天津)